刘文,李婷婷,李丽红,张荣,刁海鹏,常宏宏,魏文珑*

(1.太原理工大学 化学化工学院,山西 太原 030024;2.山西医科大学 基础医学院,山西 太原 030001)

0 引言

量子点(Quantum Dots,QDs)作为一种新型纳米材料,已经应用到了传感、生物成像以及载药治疗等领域[1-4],但由于传统量子点都掺杂了重金属,存在不可忽视的生物毒性,从而在生物学应用中受到了极大限制。而碳量子点(Carbon Quantum Dots,CQDs)自2004年[5]发现以来一直受到广大科研人员的青睐,其拥有易制备、碳源广、良好的水溶性、低毒性、易功能化以及优良的光学性质,已应用到离子传感、生物成像、靶向载药等方面。碳量子点在离子检测方面的报道较多(包括Hg2+、Cu2+和Fe3+),但由于原产物成本昂贵、反应条件苛刻、量子产率低以及检出灵敏度低等因素制约其进一步应用[6-9]。由于碳元素是构成生命体最基本的元素,而自然界中存在的天物物质无疑是很好的碳源,随着碳量子点研究的深入,以廉价易得、绿色环保、环境友好型的天然物质为起始反应原料合成碳量子点在最近几年更是掀起了热潮[10-14]。银杏果是营养价值非常丰富的一种植物果实,它含有丰富的淀粉、蛋白质和脂肪,还含有银杏酸、白果酚、还原性糖类、维生素以及多种微量元素,能够滋补人体,具有非常高的食用价值和药用价值。因此采用绿色低廉易得的银杏果为原料,通过简单易操作的水热法快速合成碳量子点是有价值的。三价铁(Fe3+)是人体内必需微量元素之一,在各种生理过程中起着重要的作用。人体内Fe3+过量或不足会导致如帕金森症、阿尔兹海默症、贫血，甚至癌症等疾病。因此,构建一种选择性好、光学性能好和灵敏度高的Fe3+荧光传感器是非常有必要的。

尽管有文献报道以银杏叶(果)为原料合成碳量子点[15],但其合成耗时太长(12 h),不适合大规模制备,而且没有应用到离子检测,推测这是由于合成的碳量子点表面缺陷及官能团排布较复杂所致。本文以当地天然物质银杏果为碳源,采用一步水热法快速合成了尺寸均一、水溶性好、荧光性质稳定的氮掺杂碳量子点(N-CQDs)。该方法原料低廉、绿色且广泛存在,制备方法简单、易操作且合成时间短。表征得到合成的N-CQDs带有含氮基团,羟基以及羧基等基团,能够特异性地识别Fe3+,是一个基于碳量子点的优良Fe3+传感器。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

所有金属离子均为硝酸盐,上海阿拉丁试剂公司;银杏果摘自山西医科大学校园内;其它试剂均为分析纯;500-1000D透析袋,北京索莱宝公司。美国瓦里安Cary Eclipse荧光光谱仪,上海美普达UV-6100紫外-可见光光谱仪,美国瓦里安FTIR-640傅里叶红外光谱仪,美国FEI公司TECNAI F20高分辨透射电镜,日本岛津AXIS ULTRA DLD X-射线光电子能谱,英国Edinburgh F900型瞬态荧光光谱仪,北京博医康FD-1D-50冷冻真空干燥机,中国力康Smart-N型超纯水仪。

1.2 荧光碳量子点的合成

称取去皮银杏果2 g左右,捣碎后加超纯水20 mL,加入25 mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中于烘箱中200℃反应2 h,待室温冷却后,得到黄棕色液体,然后12 000 r/min 离心15 min后取上清溶液,用0.22 μm的水系微孔滤膜过滤,然后再用500-1000 D的透析袋透析48 h,得到深黄色透明溶液,最后冷冻干燥得到深黄色固体粉末。称取深黄色粉末50 mg,溶于1 mL超纯水水中,得50 mg/mL的碳量子点储备液。

1.3 Fe3+识别

取碳量子点储备液100 μL加入1 700 μL的PBS缓冲溶液中,然后分别加入17种金属离子(浓度均为1.0×10-3mol/L)200 μL,在激发波长为340 nm下测得荧光发射光谱;在2.5 mg/mL的碳量子点的PBS溶液中,逐渐加入不同体积Fe3+(浓度为1.0×10-3mol/L), 在激发波长为340 nm下分别测得荧光发射谱图。利用英国Edinburgh F900型瞬态荧光光谱仪的TCSPC系统测量碳量子点以及加入Fe3+后荧光寿命的变化情况,用激光光源激发,激发波长为405 nm,发射波长为425 nm。

2 结果与讨论

2.1 TEM表征

对合成的碳量子点进行透射电镜表征,如图1(A),碳量子点呈准球状,尺寸均一,基本上尺寸都小于10 nm,从图1(A)的TEM图上统计大约100个碳量子点的粒径尺寸得图1(B),可见合成的碳量子点粒径范围为1 nm～10 nm,主要集中在3 nm～4 nm,由正态分布曲线得出平均粒径为4.2 nm。

Fig.1 (A) TEM images of CQDs, scale bar: 20 nm; (B) Particle distribution of CQDs图1 (A)合成碳量子点的TEM图,标尺为20 nm;(B)合成碳量子点的粒径分布图

2.2 FTIR与XPS表征

Fig.2 FTIR spectrum of CQDs图2 碳量子点的傅里叶红外光谱图

对冻干的碳量子点粉末进行红外光谱(FTIR)表征,如图2,在3 490-3 230 cm-1有强峰可表征为O-H和N-H的伸缩振动,在2 940 cm-1的小尖峰是由于存在C-H的伸缩振动,1 635 cm-1是C=O特征吸收峰,而在1 513 cm-1是C=C的弯曲振动,在1 410 cm-1和1 093 cm-1分别为C-N和C-O的特征峰。表征结果说明合成碳量子点表面上含有羟基,羧基等水溶性基团。

同时,对合成的碳量子点进行X-射线光电子能谱(XPS)表征,见图3。图3(A)是碳量子点的XPS全谱,大约在285.5、400.1和532.3 eV分别有强的峰位归属为典型的C1s、N1s和O1s,表明碳量子点主要含有C、N和O元素[12]。图3(B)、3(D)分别是C1s、N1s和O1s的高分辨XPS谱图,从图3(B)图可知,C1s的XPS谱可以拟合为四个峰,分别代表C=C、C-N、C-OH以及C=O 官能团;图3(C)图显示N1s的XPS谱可分为C-N-C和N-H两个峰位;图3(D)图是O1s的XPS谱,可拟合为两个峰表示C=O和C-OH官能团。这样通过XPS对合成的碳量子点进行表征得出其表面主要含有OH以及COOH和含N的官能团,这与红外表征非常一致。

Fig.3 (A) XPS spectrum of CQDs, the high resolution XPS spectrum of C1s (B), N1s(C) and O1s (D) of CQDs图3 (A)碳量子点的XPS全谱,C1s(B)、N1s(C)和O1s(D)的高分辨XPS谱

2.3 碳量子点的光学性质

如图4(A),可以看到碳量子点的吸收曲线从紫外区一直延伸到可见光区,且在280 nm处有一个吸收峰,可归属为C=O基团的n-π*电子跃迁[12,16];碳量子点的最佳激发波长为340 nm,在此最佳波长下的最佳发射波长为425 nm。图4(B)是碳量子点在不同激发波长下的荧光发射谱图,很清楚可以看到发射波长具有激发波长依赖性,即荧光发射谱随着激发波长的红移而发生红移,这是荧光碳量子点的一个特性,可能与其表面缺陷有关[5,12],在340 nm激发波长下,荧光发射波长达到最佳。

Fig.4 (A) UV-Vis absorption, fluorescence excitation spectra and emission spectra of CQDs;B) Excitation dependent emission spectra of the CQDs图4 (A)碳量子点的紫外-可见光吸收曲线、最佳荧光激发谱和发射谱;

2.4 荧光稳定性

为了测试合成的碳量子点的光稳定性能,研究了不同实验条件对其荧光的影响,见图5。图5(A)是离子强度(不同浓度的KCl)对碳量子点的荧光影响,在整个浓度范围(盐浓度最高达1.0 mol/L),碳量子点的光谱特征未发生明显变化;图5(B)是在不同pH溶液下测定碳量子点荧光,发现荧光最强的是处于中性环境下,在过酸过碱的条件下碳量子点的荧光会受到一定影响;图5(C)研究了在365 nm紫外灯照射不同时间后测定其荧光强度,可以得出即使照射300 min后,碳量子点的荧光特征基本未有变化;图5(D)表示合成的碳量子点在不同的储存时间后测定其荧光强度,可以得出即使储存了80 d后其荧光强度变化也是很小。综上所述,合成的碳量子点荧光性能很稳定,为后期进行大规模合成以及广泛应用奠定了基础。

Fig.5 (A)Relative fluorescence intensity at 425 nm (excitation at 340 nm) of the CQDs in the different concentration of KCl. (B) Dependence of the relative fluorescence intensity on the pH values from 2 to 12.(C)Variation of the fluorescence intensity of the CQDs under irradiation by a 365 nm UV lamp for different time intervals.(D) Photostability of the CQDs as a function of the storage time图5 (A)不同的KCl浓度对碳量子点荧光影响;(B)不同的pH对碳量子点荧光影响;(C)在365 nm照射不同时间对碳量子点荧光的影响;(D)不同储备时间对碳量子点荧光的影响

2.5 Fe3+的识别

随后进行了Fe3+对荧光碳量子点的滴定实验研究,见图7(A),随着Fe3+浓度逐渐增大,碳量子点在425 nm的荧光峰也在逐渐降低,当Fe3+浓度达到100 μmol/L时,碳量子点的荧光下降达近90%。根据Stern-Volmer 方程F0/F=1+Ksv[Q](F0和F分别代表未加Fe3+和加入Fe3+的碳量子点的荧光强度,[Q]代表Fe3+的浓度,Ksv是猝灭常数),可以绘制F0/F与Fe3+浓度的关系,见图7(B),在Fe3+浓度1.0～20 μmol/L范围内呈良好的线性相关,线性相关系数为0.995 7,而在Fe3+浓度的整个滴定范围(1.0～100 μmol/L)没有呈现线性,说明滴定过程同时存在静态猝灭和动态猝灭过程[12]。根据检出限公式D=3Sb/S(Sb是测量空白溶液11次荧光测定的标准偏差,S是拟合直线的斜率),最后计算出检出限(D)为0.18 μmol/L,对比文献报道,本文合成的碳量子点检出限相对较低,见表1。以上结果说明合成的碳量子点对Fe3+有良好的专一识别,可进一步发展为潜在的Fe3+荧光传感器。对于碳量子点可以识别Fe3+,我们推测其表面含有的官能团(-OH、-NH以及COO-)的孤对电子向Fe3+的空轨道发生电子转移,从而使得碳量子点的荧光发生猝灭[9,12,18]。为了验证推测的机理,测定了Fe3+溶液(50 μmol/L)以及碳量子点在加入Fe3+前后的紫外吸收谱,见图7(C),Fe3+溶液在300 nm处有一个吸收峰,碳量子点在280 nm处有一个强的吸收峰,当加入Fe3+后,碳量子点的吸收峰明显增强且有蓝移现象,同时Fe3+溶液的吸收峰消失,说明两者发生了作用并形成了CQDs/Fe3+复合物。时间相关单光子计数实验(the time-correlated single-photon counting,TCSPC)用于研究碳量子点中在加入Fe3+前后两种情况下激子的行为。如图7(D)可见,通过拟合碳量子点的平均荧光寿命4.76 ns,包括一个短寿命组分τ1=2.294 7 ns (41.39 %)和一个长寿命组分τ2=6.506 1 ns (58.61 %);而加入20 μmol/L Fe3+后其平均荧光寿命为3.42 ns,包括一个短寿命组分τ1=2.022 4 ns (68.04 %)和一个长寿命组分τ2=6.399 2 ns (31.96 %)。当加入Fe3+后碳量子点的平均荧光寿命从4.76 ns降为3.42 ns,说明在此过程有快速的电子转移,即CQDs与Fe3+之间发生了电子转移,从而导致其荧光猝灭。因此,合成碳量子点能够识别Fe3+,推测主要是其表面含有的官能团与Fe3+发生非辐射电子转移,从而导致碳量子点的荧光发生猝灭。

3 结论

本文通过一步水热法,采用绿色天然物质银杏果为碳源,快速、简便合成了水溶性好,尺寸均一的碳量子点,通过表征可知其表面含有羟基、羧基等水溶性基团,而且拥有良好的荧光稳定性,碳量子点能够与Fe3+发生非辐射电子转移从而猝灭其荧光,特异性的识别Fe3+,其检测范围为1.0～20 μmol/L,检出限为0.18 μmol/L,可作为一种优良的Fe3+荧光传感器。